潘江萍,丁 玄,王米吉,朱家亮,李 靜
(1. 長沙市氣象局,湖南 長沙 410205;2. 衡陽市氣象局,湖南 衡陽 421001;3. 瀏陽市氣象局,湖南 瀏陽 410300)
近年來,隨著人們生活質(zhì)量的提高,民眾對“PM 2.5”、“霧霾”等空氣質(zhì)量問題的關(guān)注度日益上升,每次大范圍的重污染天氣過程都能產(chǎn)生較大的輿論影響[1-4]。大氣現(xiàn)象理論研究和實(shí)踐表明[5],同一污染源所造成的空氣污染物濃度,在不同氣象條件的影響下差別可達(dá)幾個量級,這說明大氣擴(kuò)散條件是污染天氣能否形成的一個重要因素。任陣海等[6-8]利用大氣環(huán)境過程的概念,分析造成重污染天氣的中、小尺度天氣系統(tǒng)及邊界層結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)污染物的匯聚帶多來源于穩(wěn)定的均壓場。同時,均壓場還會觸發(fā)近地層產(chǎn)生局地環(huán)流群體,造成局地的嚴(yán)重污染[9-10]。2014年6月13日,長沙出現(xiàn)了入夏以來最嚴(yán)重空氣污染,市區(qū)AQI 指數(shù)達(dá)306,筆者通過分析環(huán)保部門的污染物指數(shù)資料及地面、高空氣象資料,解釋此次重污染天氣的成因、發(fā)展及對長沙的影響,從而為今后重污染天氣的預(yù)報、預(yù)警和相關(guān)研究提供參考。
(1)污染物指數(shù)資料為空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,簡稱AQI)和主要污染物污染分指數(shù),來源于長沙市環(huán)保部門的9個國控環(huán)境空氣質(zhì)量評價點(diǎn)和1個國控清潔對照點(diǎn)共10個站點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)日報。(2)氣象資料為此次重污染天氣過程中的地面氣象資料和高空氣象資料,來源于長沙市氣象局。關(guān)于AQI 和污染物污染分指數(shù)的定義及計算方法可參見《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)。
根據(jù)長沙市環(huán)境監(jiān)測站主城區(qū)10個站點(diǎn)監(jiān)測到的6月份空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢(圖1),2014年6月7~16日,長沙市及株洲、湘潭等周邊地區(qū)出現(xiàn)了污染天氣。其中6月13日平均AQI 達(dá)到306,屬嚴(yán)重污染,首要污染物為PM 2.5,為2014年夏季空氣質(zhì)量最差的一天。小時空氣質(zhì)量實(shí)況數(shù)據(jù)顯示,12日17 時前后開始,長沙城區(qū)的空氣質(zhì)量開始急劇下降,17 時市區(qū)有2 站已達(dá)重度污染,首要污染物為PM 10。從圖2 可以看出,自12日21 時起空氣質(zhì)量指數(shù)持續(xù)上升,23時AQI 升至266,為重度污染,首要污染物為PM 2.5;13日0 時AQI 迅速升至328,首要污染物為PM 2.5,為嚴(yán)重污染??諝赓|(zhì)量狀況嚴(yán)重下降的同時,馬坡嶺國家氣象觀測站的自動觀測能見度從12日17 時起迅速下降。從圖3 也可以看出,在空氣污染最嚴(yán)重的12日23 時~13日16 時,能見度均在1 000 m 以下。
圖1 長沙2014年6月份空氣質(zhì)量指數(shù)趨勢
圖2 長沙2014年6月12日21 時至13日20 時小時空氣質(zhì)量指數(shù)
圖3 馬坡嶺站2014年6月12日21 時至13日20 時小時能見度
此次重污染天氣過程的特點(diǎn)是:一是范圍廣,長沙及株洲、湘潭等周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量均出現(xiàn)了嚴(yán)重污染;二是強(qiáng)度大,13日0 時空氣質(zhì)量指數(shù)迅速飆升至328,馬坡嶺站自動觀測能見度5 時僅為667 m,最小值為634 m,出現(xiàn)在4 時39 分;三是持續(xù)時間長,空氣嚴(yán)重污染的狀況從13日0 時一直持續(xù)至16 時,1~8 時馬坡嶺站能見度均維持在1 000 m 以下。
每年的5月和6月份正值初夏時期,冷暖空氣活躍,長沙進(jìn)入主汛期,大量級降水對空氣凈化作用明顯,是長沙空氣質(zhì)量較好的時段。2014年6月12日,國家環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心發(fā)布的秸稈焚燒遙感監(jiān)測日報(圖4)顯示,監(jiān)測到河南、河北、江蘇、安徽、山東的秸稈焚燒火點(diǎn)共162個。6月12~13日華中地區(qū)中低層為東北氣流控制,安徽等地的濃煙在東北氣流的引導(dǎo)下影響湖南。長沙市環(huán)境監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,重污染過程中空氣中的碳元素、鉀離子監(jiān)測值上升了8 倍,這兩種元素正是秸稈焚燒后產(chǎn)生的主要元素。
天氣條件決定了大氣的擴(kuò)散能力與穩(wěn)定程度,從而影響污染物濃度的高低變化。為探究天氣條件對此次空氣重污染過程的影響,對重污染期間(2014年6月13日8 時)的地面形勢(地面風(fēng)場+氣壓場)、高空形勢(高度場+風(fēng)場)和探空資料進(jìn)行了分析。
圖4 2014年6月12日全國秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖(圖中白色點(diǎn)處為長沙的位置)
3.2.1 地面實(shí)況(形勢)分析 從圖5 可以看出,江南東部的湖北、江西等地多為偏北風(fēng)或東北風(fēng),且伴有霾——視程障礙現(xiàn)象的出現(xiàn),近地面較弱的偏北或偏東北風(fēng)將安徽、江蘇、河北等地的大量污染物輸送至長沙地區(qū)。長沙地區(qū)處于均壓場中,穩(wěn)定的氣壓場不利于近地面層污染物的垂直擴(kuò)散,地面為2 m/s 的西北風(fēng),較弱的風(fēng)速制約了污染物的水平擴(kuò)散。分析前期的地面實(shí)況發(fā)現(xiàn),2014年6月10~13日,長沙地區(qū)維持多云到陰天的天氣,不利于對污染物的稀釋和擴(kuò)散。從地形上看,湖南為向東北開口的馬蹄形地形,有利于北方污染源的進(jìn)入,長、株、潭地區(qū)的南面有南岳衡山的阻擋,特殊的地形結(jié)構(gòu)有利于污染物在此聚集,使得該區(qū)域污染物濃度迅速升高,空氣質(zhì)量不斷惡化,所以污染天氣維持,直到6月17日長沙地區(qū)出現(xiàn)降雨,在雨水的沖刷作用下,空氣質(zhì)量才轉(zhuǎn)為良。
圖5 2014年6月13日8 時地面風(fēng)場和氣壓場疊加(圖中圓點(diǎn)處為長沙的位置)
3.2.2 高空實(shí)況(形勢)分析 2014年6月12日20時,500 hPa 中心位于日本海上的東北低渦發(fā)展旺盛,其后部的低槽西北氣流引導(dǎo)中低層氣流南下影響長沙,在925~850 hPa 中低層建立起東北氣流輸送通道,華南地區(qū)副熱帶高壓環(huán)流控制當(dāng)中。13日8 時(圖6),500 hPa 東北低渦略有北抬, 中低層?xùn)|北氣流輸送通道繼續(xù)維持,副熱帶高壓加強(qiáng),584 等位勢高度線伸至湘北地區(qū),長沙處于熱帶高壓環(huán)流控制之下,長沙地區(qū)盛行下沉氣流,天氣晴朗,垂直方向上風(fēng)速較小,利于低層穩(wěn)定層結(jié)的形成、發(fā)展和維持,為霧、霾發(fā)生創(chuàng)造了有利條件。
3.2.3 探空資料分析 對探空圖(圖7)進(jìn)行分析的結(jié)果表明,溫度露點(diǎn)差較大,濕度條件較差;高層有暖平流,而中層有冷平流輸入,850 hPa 附近有一定的等溫層,大氣層結(jié)穩(wěn)定,不利于形成霧霾污染物顆粒的擴(kuò)散和輸出,所以霧霾維持時間較長。
綜上所述,長沙此次重污染天氣的形成過程是:安徽、河北、河南、江蘇、山東等地大量秸稈焚燒的高濃度煙霧顆粒物進(jìn)入大氣后,與近地層空氣混合,充斥到大氣混合層甚至更高高度,然后隨中低層反環(huán)流前部東北氣流或偏東氣流擴(kuò)散、輸送至湖南、湖北等地,長沙受副熱帶高壓脊的控制,無降水發(fā)展,靜穩(wěn)天氣維持,大氣污染物氣象擴(kuò)散條件差,污染物在此聚集、沉積,造成長沙等地能見度降低,污染物濃度陡升,導(dǎo)致13日7 時AQI 指數(shù)達(dá)到了498,為嚴(yán)重污染。
圖7 2014年6月13日8 時長沙探空站探空分析圖
此次重污染天氣過程是人為與氣象兩方面因素共同作用的結(jié)果,其中人為因素是地面秸稈焚燒產(chǎn)生大量煙霧和顆粒物集中進(jìn)入大氣中低層,偏東北氣流導(dǎo)致北方地區(qū)的污染物向長沙等地輸送、沉積;氣象因素是高空天氣形勢配置有利于在中低層形成污染物輸送通道,長沙地區(qū)受副熱帶高壓控制,配合大氣低層等溫的穩(wěn)定層結(jié),以及在地面均壓場等氣象因素的共同影響下,致使輸入型的污染物不能得到稀釋、擴(kuò)散和清除,導(dǎo)致了重污染天氣的維持。
通過對此次重污染天氣的分析,總結(jié)輸入型污染源對長沙地區(qū)空氣質(zhì)量的影響,便于以后預(yù)報員在再次遇到氣流主導(dǎo)方向的空氣質(zhì)量狀況較差時,能夠通過合理判斷,準(zhǔn)確及時的做出空氣質(zhì)量潛勢預(yù)報,適時發(fā)布預(yù)警信號。
[1]施介寬.蘭州市邊界層氣象條件對空氣污染影響的數(shù)理統(tǒng)計模式[J].蘭州大學(xué)學(xué)報,1980,16(6):100-108.
[2]劉興中,嚴(yán)從路,牛玉琴,等.南京大氣高濃度污染的特征及與氣象條件的關(guān)系[J].氣象科學(xué),1992,12(1):107-112.
[3]楊德保,王式功,黃建國.蘭州市區(qū)大氣污染與氣象條件的關(guān)系[J].蘭州大學(xué)學(xué)報,1994,30(1):132-136.
[4]劉小紅,洪鐘祥,李家倫,等.北京地區(qū)嚴(yán)重大氣污染的氣象和化學(xué)因子[J].氣候與環(huán)境研究,1999,4(3):231-236.
[5]吳 兌,鄧雪嬌.環(huán)境氣象學(xué)與特種氣象學(xué)預(yù)報[M].北京:氣象出版社,2001.291-297.
[6]任陣海,高慶先,蘇福慶,等.北京大氣環(huán)境的區(qū)域特征與沙塵影響[J].中國工程科學(xué),2003,5(2):49-56.
[7]蘇福慶,任陣海,高慶先,等.北京及華北平原邊界層大氣中污染物的匯聚系統(tǒng)——邊界層輸送匯[J].環(huán)境科學(xué)研究,2004,17(1):21-25.
[8]任陣海,蘇福慶,高慶先,等.邊界層內(nèi)大氣排放物形成重污染背景解析[J].科學(xué),2005,29(1):57-63.
[9]葉 堤.重慶市空氣污染持續(xù)過程特征及其氣象成因分析[J].環(huán)境研究與監(jiān)測,2007,(2):15-18.
[10]楊素英,趙秀勇,劉寧微.北京秋季一次重污染天氣過程的成因分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報,2010,26(5):13-16.